Экологический мониторинг водных объектов и экоаудит водопользователей как основа борьбы с биопомехами в системах техводоснабжения
Суздалева А.Л.
Аннотация
Приведена классификация биопомех, нарушающих работу систем технического водоснабжения. Показано, что фактором, стимулирующим развитие любых видов биопомех, являются различные формы загрязнения водоема-источника водоснабжения. Профилактика этих явлений должна основываться на установлении водопользователей, деятельность (или бездействие) которых обусловливает загрязнение водных объектов.
Ключевые слова: биопомехи, система технического водоснабжения, загрязнение водоемов-охладителей АЭС.
На основе обобщения имеющегося опыта практической работы, излагаются основные положения новой концепции снижения затрат на борьбу с биопомехами. В основе новой концепции лежит системный подход к анализу нежелательных явлений, обусловленных жизнедеятельностью организмов. На современном этапе проблемы борьбы с биопомехами и экологические проблемы водных объектов, использующихся в качестве источников систем техводоснабжения, в большинстве случаев рассматриваются изолированно. Вместе с тем, организмы, вызывающие биопомехи, как и любые другие формы жизни, существуют не обособленно, а являются компонентами водных экосистем. Уровень их развития, а следовательно и наносимого ими вреда, определяется, прежде всего, структурно-функциональной организацией данных систем.
Как свидетельствует анализ обширных материалов, накопленных за десятилетия интенсивных исследований в данной области, практически всегда массовое развитие каких-либо водных организмов, будь то микроорганизмы или крупные формы водных животных и растений, приводит к возникновению биопомех. В связи с этим единственно возможный путь борьбы с биопомехами - это предотвращение подобных «вспышек» развития. Здесь возможны два направления деятельности. Первое из них - уничтожение нежелательных организмов различными способами. Второе направление - профилактическое. Оно состоит в недопущении возникновения в водоемах условий для массового развития этих организмов. Очевидно, что второй путь в целом более перспективен, поскольку заключается в борьбе с причинами биопомех, а не с их последствиями.
С точки зрения системного подхода, борьба с биопомехами рассматривается не как простое уничтожение каких-то видов, затрудняющих производственную деятельность, а как предотвращение изменений в водной среде, обусловливающих развитие данных организмов (рис. 1). Весьма часто, первопричиной интенсификации экологических процессов, приводящих к образования биопомех, является загрязнение вод [1-4]. Установление субъектов хозяйственной деятельности, по вине которых у других водопользователей возникают биопомехи, в ряде случаев позволяет, через применение природоохранного законодательства, хотя бы частично взыскать ущерб, обусловленный данными явлениями [5]. Первым шагом на этом пути является организация экологического мониторинга, то есть системы отслеживания изменений в состоянии водного объекта и выявления причин, вызывающих ухудшение качества вод. Получаемые результаты позволяют установить первопричину возникновения биопомех. Однако сами по себе данные мониторинга не могут непосредственно быть использованы в качестве действенного инструмента борьбы с виновниками нежелательных изменений водной среды. Поэтому эффективная система профилактики и борьбы с биопомехами должна обязательно дополняться экологическим аудированием (экоаудитом) всех водопользователей данного водного объекта, под которым понимается комплексная документированная оценка субъектом хозяйственной или иной деятельности требований в области охраны окружающей среды [6]. При этом, в соответствии с Водным кодексом РФ, к числу водопользователей относятся не только физические и юридические лица, осуществляющие забор воды, но и все хозяйствующие субъекты, сбрасывающие в данный водоем свои стоки, а также собственники, владельцы и пользователи земельных участков, примыкающих к данному водному объекту [7]. Ниже рассмотрим эти положения более подробно.
ОСНОВНЫЕ ВИДЫ БИОЛОГИЧЕСКИХ ПОМЕХ
Довольно распространено ошибочное и неполное мнение, согласно которому биопомехи заключаются в непосредственном контакте организмов с какими-то техническими узлами, в результате чего работа данных узлов нарушается. Но, как показывает практика, серьезные затруднения возникают и в том случае, если подаваемая на объект вода, хотя и не содержит нежелательных организмов, но в результате их жизнедеятельности становится некондиционной или вследствие развития этих организмов снижается объем воды, подаваемый на технические объекты. Таким образом, в широком смысле «биопомехи» - это любые явления, прямо или косвенно обусловленные живыми организмами, которые затрудняют нормальную работу каких-либо технических устройств.
Особенно заметную роль биопомехи играют при эксплуатации систем техводоснабжения промышленных и энергетических объектов, а также гидротехнических сооружений. Экономический ущерб от этих явлений иногда существенно снижает рентабельность производства, а в некоторых случаях даже обусловливает необходимость прекращения работы. Известны случаи остановки ГЭС из-за биопомех [8]. По этой причине разработка эффективных мер борьбы с биопомехами является весьма актуальной задачей. Существует большое количество разнообразных способов уничтожения нежелательных организмов, поселяющихся внутри систем водоснабжения и на поверхности гидротехнических сооружений [9]. Однако, несмотря на разнообразие подходов (химические, физические, механические методы борьбы), всех их объединяет то, что их эффект носит сугубо временный характер. Через определенный период те же самые биопомехи возникают вновь и процесс их образования иногда даже интенсифицируется.
На основании анализа собственных и литературных [1, 10, 11] данных авторами разработана следующая классификация биопомех, возникающих при работе систем техводоснабжения энергетических и производственных объектов. биопомеха водоснабжение загрязнение водоем
1. Биопомехи, возникающие непосредственно в системах техводоснабжения. Среди разнообразных биологических помех данной группы можно выделить две группы явлений: 1) биопомехи, обусловленные жизнедеятельностью организмов, поселяющихся внутри системы водоснабжения. По терминологии Э.К. Голубовской [10] - биопомехи, вызываемые автохтонными организмами (то есть организмами, обитающими непосредственно на участке системы, где наблюдается возникновение биопомех); 2) биопомехи, обусловленные жизнедеятельностью организмов, обитающих за пределами системы, в источнике водоснабжения. Эти явления в совокупности обозначаются как биопомехи, вызываемые аллохтонными (то есть чужеродными) организмами. Внутри каждой из этих групп, в свою очередь, можно выделить несколько отдельных категорий.
1.1. Автохтонные биопомехи. Данные нежелательные явления обусловлены главным образом, так называемым обрастанием внутренней поверхности систем техводоснабжения различными организмами. Для обозначения совокупности этих организмов употребляются также термины: биообрастание и перифитон. Автохтонные формы попадают в систему из водоемов, но в отличие от аллохтонных они способны здесь длительное время существовать, расти и размножаться, постепенно заселяя новые участки поверхности и увеличивая свою биомассу. Многие из этих организмов развиваются в системах водоснабжения более интенсивно, чем в природной среде. Главным образом это связано с отсутствием естественных врагов и наличием пищи, приносимой постоянным током воды. Состав автохтонных организмов весьма разнообразен - бактерии, водные грибы, различные животные [9, 12-14]. На открытых участках систем техводоснабжения развиваются также растительные формы [15]. У большинства организмов-обрастателей существуют приспособления, позволяющие им прикрепляться к поверхности технических узлов и противостоять току воды.
Последствия жизнедеятельности относительно крупных обрастателей и микроскопических организмов во многом отличны. Существенно различаются и экологические механизмы формирования макрообрастания и микрообрастания систем водоснабжения, в связи с чем их исследование в большинстве случаев проводится обособленно друг от друга.
1.1.1. Макрообрастание или макроперифитон состоит из относительно крупных организмов, хорошо различимых невооруженным глазом (размер более 2 мм). Основу сообщества макрообрастания систем водоснабжения практически всегда составляют так называемые сестонофаги-фильтраторы (сестон - это совокупность взвешенных в воде органических частиц, в том числе микроскопических планктонных организмов). Входящие в данную группу разнообразные формы водных беспозвоночных (губки, моллюски и др.) питаются, отфильтровывая проходящую через систему воду. Существует общая закономерность - чем больше содержится в воде органической взвеси, тем более интенсивно развивается макрообрастание. В свою очередь увеличение в воде количества органических частиц обусловливается антропогенным загрязнением и эвтрофированием водных объектов. Таким образом, несмотря на то, что автохтонные организмы существуют внутри системы, уровень их развития во многом определяется экологическим состоянием водоема, использующегося в качестве источника водоснабжения.
Последствия развития макрообрастания внутри технических агрегатов общеизвестны. Прежде всего, это снижение скорости тока воды, сокращение подачи воды и закупорка водоводов. Общий ущерб, наносимый этим видом биопомех, хотя точно и не подсчитывался, но без сомнения ежегодно составляет не менее десятков миллионов долларов.
1.1.2. В качестве отдельного вида биопомех рассматриваются различные формы биоповреждения материалов, обусловленные макрообрастанием. Некоторые организмы способны «врастать» в субстрат, на котором они обитают, разрушая его. Существуют также виды водных животных (так называемые, сверлильщики или перфораторы), высверливающие отверстия. Кроме того, продукты жизнедеятельности некоторых водных организмов представляют собой химически агрессивные вещества (органические и неорганические кислоты, аммиак и др.), разрушающие поверхность материалов, из которых изготовлены технические узлы систем водоснабжения. Данные явления получили название биокоррозии. Развития макрообрастания может также сопровождаться явлениями электрохимической коррозии, возникающей вследствие разности потенциалов на обросших участках и участках, свободных от обрастания [9].
1.1.3. Микрообрастание или микроперифитон - это совокупность микроскопических организмов (бактерий, водных грибов и др.), обитающих на поверхности технических узлов, контактирующей с водной средой. Внешне это проявляется в образовании на внутренней поверхности водоводов и технических узлов так называемой «биопленки», то есть слизистой пленки, состоящей из микроорганизмов (преимущественно бактерий) и выделяемой ими слизи. Иногда для обозначения этого вида биопомех используются близкие по значению понятия «бактериальные биообрастания» [1] и «органические отложения» [16]. Несмотря на то что слизистая микробиальная пленка содержит в среднем около 85% воды, она представляет собой довольно прочную структуру, противостоящую механическому воздействию потока воды. Мощность биопленки может достигать нескольких сантиметров, что существенно ограничивает подачу воды. Если пленка образуется на поверхности теплообменной аппаратуры, то это значительно снижает эффективность ее работы. Так, например, было установлено, что вследствие образования на трубках конденсаторов ТЭС слоя обрастания толщиной всего 0,1 мм теплопередача снизилась с 3700 до 900 ккал/(м2 ч град.), то есть более чем в 4 раза [17].
Как и в случае с большинством других видов биопомех, интенсивность образования биопленки главным образом зависит от качества вод, поступающих в систему. Основным источником «питания» бактерий, образующих биопленку, служит растворенное органическое вещество (РОВ), приносимое с током воды. Чем выше концентрация РОВ в водоеме, тем интенсивнее образование биопленки. В свою очередь главным источником РОВ в водоемах являются процессы их загрязнения и эвтрофирования. Экологические механизмы данных явлений будут рассмотрены несколько ниже. Здесь же в качестве иллюстрации можно привести следующие интересные данные, полученные в ходе экспериментов, моделирующих процесс нарастания биопленки [1]. Как показали полученные результаты, прирост биопленки при среднем поступлении органики, равном 0,25 г/л сухого беззольного органического вещества в сутки, составил 0,016 мм, при уменьшении поступления до 0,16 г/л·сут. эта величина снижалась до 0,013 мм и, наконец, при поступлении 0,064 г/(л сут) органики прирост пленки составил 0,0066 мм.
1.1.4. Микробная коррозия. Разнообразные продукты жизнедеятельности бактерий и других микроорганизмов, образующих биопленку (кислород, углекислый газ, аммиак, сероводород, органические кислоты и др.) могут вызвать биокоррозию металла [10, 18]. Интенсивность микробной коррозии в сильной степени зависит от того, какая именно группа микроорганизмов получила преимущественное развитие. Это в свою очередь определяется составом вод, поступающих в систему водоснабжения.
Особенно велика в процессе микробной коррозии роль тионовых и гетеротрофных бактерий [19]. Тионовые бактерии в процессе своей жизнедеятельности окисляют содержащиеся в воде соединения серы, в результате образуется серная кислота. Эта группа микроорганизмов интенсивно развивается в системах водоснабжения, как правило, только в том случае, когда поступающие в нее воды содержат значительное количество сероводорода. Обычно такое наблюдается в водоемах, загрязненных бытовыми и канализационными стоками. Гетеротрофные бактерии получают энергию, разлагая органические вещества. При этом образуется ряд химически агрессивных веществ - органические кислоты, аммиак, сероводород, перекиси и др. Интенсивное развитие гетеротрофных бактерий в микроперифитоне систем водоснабжения возможно только при поступлении в них вод, загрязненных органическими веществами (например, бытовыми стоками).
1.2. Аллохтонные биопомехи, то есть затруднения, возникающие при попадании в системы водоснабжения организмов, не способных обитать внутри них.
1.2.1. Забивание решеток и фильтров на водозаборе плавающими и плохо прикрепленными растениями (макрофитами). В водоемах средней полосы к таким формам относятся, прежде всего, роголистник, элодея и нитчатые зеленые водоросли, образующие скопления тины. Массовое развитие всех этих видов обусловливается эвтрофированием вод. Существенные биопомехи данного вида наблюдались нами на Курской АЭС в 1999-2003 гг. [20-21]. Как показали проведенные исследования, основной причиной этого явилось поступление в водоем-охладитель АЭС большого количество стоков с территории г. Курчатова.
В субтропической зоне очень серьезные трудности в эксплуатации систем водоснабжения создает водный гиацинт - крупное растение, плавающее на поверхности воды. В последнее время возникла реальная угроза появления этого вида в техногенных водоемах России, температурный режим которых, вследствие теплового загрязнения вод, отличается от естественного. Вероятность событий биологического загрязнения в данном случае весьма высока, поскольку водный гиацинт используется как декоративное аквариумное растение. Кроме того, этот вид предлагается использовать в системах биологической очистки вод. Например, в настоящее время водный гиацинт культивируется на Люблинской станции аэрации в г. Москве. Высказывались также весьма непродуманные предложения о культивировании водного гиацинта в энергобиологических комплексах на водоемах-охладителях АЭС. Таким образом, тепловое и биологическое загрязнение водоемов России в совокупности могут обусловить и возникновения этого вида биопомех.